Термос - Vacuum flask

«Термос» перенаправляется сюда. Для компании см. ООО "Термос". Для использования в других целях см. Термос (значения).

Эта статья о колбе с вакуумной изоляцией. Для колбы, используемой для фильтрации в вакууме, см. Колба Бюхнера.

Типичный дизайн Марка термоса вакуумная колба, используемая для поддержания температуры жидкостей, таких как кофе.

Лабораторная колба Дьюара, Немецкий музей, Мюнхен

Схема вакуумной колбы

А криогенное хранилище Дьюара из жидкий азот, используется для подачи криогенная морозильная камера

А термос (также известный как Сосуд Дьюара, Бутылка Дьюара или же термос) является изоляционный сосуд для хранения, который значительно увеличивает время, в течение которого его содержимое остается более горячим или холодным, чем окружающее пространство. Изобретенный Сэр Джеймс Дьюар в 1892 г. термос состоит из двух колбы, поместили один в другой и соединили на шее. Из зазора между двумя колбами частично удаляется воздух, создавая почтивакуум что значительно снижает теплопередачу за счет проводимость или же конвекция.

Термосы используются внутри страны для хранения напитки горячим или холодным в течение продолжительных периодов времени и для многих целей в промышленности.

История

Густав Роберт Паален, сосуд с двойными стенками. Патент 27 июня 1908 г., опубликован 13 июля 1909 г.

Колба была разработана и изобретена шотландским ученым. Сэр Джеймс Дьюар в 1892 году в результате его исследований в области криогеника и иногда в его честь называют сосудом Дьюара. При проведении экспериментов по определению удельная теплоемкость элемента палладий Дьюар сделал латунную камеру, которую он заключил в другую камеру, чтобы поддерживать желаемую температуру палладия.^[1] Он откачал воздух между двумя камерами, создав частичный вакуум, чтобы поддерживать стабильную температуру содержимого. Из-за потребности в этом изолированном контейнере Джеймс Дьюар создал термос, который стал важным инструментом для химических экспериментов, а также стал обычным предметом домашнего обихода. Позднее колба была разработана с использованием новых материалов, таких как стекло и алюминий; однако Дьюар отказался запатентовать свое изобретение.^[1]

Дизайн Дьюара был быстро превращен в коммерческий предмет в 1904 году, когда два немецких стеклодува, Райнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер, обнаружили, что его можно использовать для хранения холодных напитков, а горячие напитки теплыми, и изобрели более прочную конструкцию колбы, которая подходила для повседневной использовать.^[2][3] Конструкция сосуда Дьюара никогда не была запатентована, но немецкие люди, обнаружившие коммерческое использование продукта, назвали его Термос, и впоследствии потребовала как права на коммерческий продукт, так и товарный знак на имя. В его последующей попытке потребовать права на изобретение, Дьюар вместо этого проиграл судебное дело компании.^[4] Производство и характеристики бутылки-термоса были значительно улучшены и усовершенствованы венским изобретателем и торговцем Густавом Робертом Пааленом, который разработал различные типы для домашнего использования, которые он также запатентовал и широко распространял через компании по производству термосов в Соединенных Штатах. Канада и Великобритания, которые купили лицензии для соответствующих национальных рынков. Американская компания по производству термосов наладила массовое производство в Норвиче, штат Коннектикут, что снизило цены и позволило широко распространить продукт для домашнего использования.^[2] Со временем компания расширила размеры, формы и материалы этих потребительских товаров, в основном используемых для переноски. кофе в пути и носить с собой жидкости в походах, чтобы держать их горячими или холодными. Со временем другие производители начали производить аналогичные продукты для потребителей.

Имя позже стало обобщенный товарный знак после того, как термин «термос» стал нарицательным для такой вакуумной емкости для жидкостей.^[2] В дальнейшем термос использовался для множества различных типов научных экспериментов, а коммерческий «термос» превратился в обычный предмет. Термос остается зарегистрированная торговая марка в некоторых странах, но он был объявлен родовым товарным знаком в судебном иске в Соединенных Штатах в 1963 году, поскольку в просторечии стал синонимом термосов в целом. Однако есть и другие термосы.

Дизайн

Колба для вакуумирования состоит из двух сосудов, один помещен в другой и соединен горлышком. Из зазора между двумя сосудами частично удаляется воздух, создавая частичноевакуум который снижает тепло проводимость или же конвекция. Передача тепла тепловое излучение может быть сведено к минимуму серебрение поверхности колбы обращены к зазору, но это может стать проблемой, если содержимое колбы или окружающая среда очень горячие; следовательно, в вакуумных колбах обычно содержится содержимое ниже точки кипения воды. Большая часть теплопередачи происходит через горлышко и отверстие колбы, где нет вакуума. Термосы обычно изготавливаются из металл, боросиликатное стекло, мыло или же пластик и их открытие закупоренный с пробка или полиэтиленовый пластик. Термосы часто используются в качестве изолированные транспортные контейнеры.

Чрезвычайно большие или длинные термосы иногда не могут полностью поддерживать внутреннюю колбу только за горлышко, поэтому дополнительная поддержка обеспечивается за счет распорки между внутренней и внешней оболочкой. Эти прокладки действуют как тепловой мост и частично снижают изоляционные свойства колбы вокруг области контакта прокладки с внутренней поверхностью.

Несколько технологических приложений, таких как ЯМР и МРТ машины, полагаются на использование двойных термосов. Эти колбы имеют две вакуумные секции. Во внутренней колбе находится жидкость гелий внешняя колба содержит жидкий азот с одной вакуумной секцией между ними. Таким образом ограничиваются потери драгоценного гелия.

Другие улучшения вакуумной колбы включают: радиационный экран с паровым охлаждением и горловина с паровым охлаждением,^[5] оба из них помогают уменьшить испарение из колбы.

Исследования и промышленность

Смотрите также: Криогенное хранилище Дьюара

В лабораториях и на производстве вакуумные колбы часто используются для хранения сжиженных газов (часто LN2) для мгновенного замораживания, подготовки проб и других процессов, в которых желательно поддерживать чрезвычайно низкую температуру. В вакуумных колбах большего размера хранятся жидкости, которые становятся газообразными при температуре значительно ниже окружающей, например: кислород и азот; в этом случае утечка тепла в чрезвычайно холодную внутреннюю часть бутылки приводит к медленному выкипанию жидкости, так что узкое открытое отверстие или закрытое отверстие защищено клапан сброса давления, необходимо предотвратить давление от накопления и, в конечном итоге, разрушения колбы. Изоляция вакуумной колбы приводит к очень медленному «кипению», и поэтому содержимое остается жидким в течение длительного времени без охлаждение оборудование.

Термосы использовались для размещения стандартные ячейки и в духовке Стабилитроны вместе с их печатной платой в прецизионных устройствах регулирования напряжения, используемых в качестве электрических эталонов. Колба помогала контролировать температуру стабилитрона в течение длительного периода времени и использовалась для уменьшения отклонений выходного напряжения стандарта стабилитрона из-за колебаний температуры до нескольких частей на миллион.

Одним из наиболее заметных примеров использования была компания Guildline Instruments, Канада, в их Transvolt, модель 9154B, насыщенном стандартном элементе, который является стандартом электрического напряжения. Здесь посеребренная вакуумная колба была заключена в изоляцию из пенопласта и с помощью большой стеклянной вакуумной пробки удерживала насыщенную ячейку. Выходное напряжение устройства составляло 1,018 вольт с точностью до нескольких частей на миллион.

Принцип работы термоса делает его идеальным для хранения определенных типов ракетного топлива, а также НАСА широко использовал его в топливных баках ракет-носителей «Сатурн» в 1960-х и 1970-х годах.^[6]

Дизайн и форма сосуда Дьюара использовались в качестве модели для оптический эксперименты, основанные на идее, что форма двух отсеков с пространством между ними подобна тому, как свет попадает в глаз.^[7] Вакуумная колба также была частью экспериментов с использованием ее в качестве конденсатора для различных химикатов, чтобы поддерживать их постоянную температуру.^[8]

Промышленная колба Дьюара является основой устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов.^[9][10] Большинство вакцин чувствительно к теплу^[11][12] и требуют холодная цепь система, чтобы поддерживать их при стабильной температуре, близкой к отрицательной. Устройство Arktek использует восемь литровых блоков льда для хранения вакцин до 10 ° C.^[13]

Безопасность

Термосы подвержены риску взрыв В частности, стеклянные сосуды под вакуумом могут внезапно разбиться. Сколы, царапины или трещины могут быть отправной точкой для опасного отказа сосуда, особенно когда температура сосуда быстро меняется (при добавлении горячей или холодной жидкости). Рекомендуется надлежащая подготовка термоса Дьюара путем темперирования перед использованием для поддержания и оптимизации работы устройства. Стеклянные термосы обычно вставляются в металлическое основание, а цилиндр помещается в сетку, алюминий или пластик или покрыт сеткой, чтобы облегчить обращение с ним, защитить его от физического повреждения и содержать осколки в случае их разрушения.^{[нужна цитата ]}

Кроме того, криогенные хранилища Дьюара обычно находятся под давлением, и они могут взорваться, если предохранительные клапаны не используются.

Термодинамика

Скорость потери тепла (энергии) через вакуумную колбу можно анализировать термодинамически, начиная со второго Т dS связь:^[14]

${\displaystyle {\begin{aligned}T\,dS&=dH-V\,dP\\T_{\text{surr}}\,\Delta S&=mc_{\mathrm {p} }\,\delta T-V\,dp\end{aligned}}}$

Предполагая постоянное давление на протяжении всего процесса,

${\displaystyle T_{\text{surr}}\Delta S=c_{\mathrm {p} }\left(T_{\mathrm {b} '}-T_{\mathrm {c} }\right)}$

Преобразуя уравнение в зависимости от температуры внешней поверхности внутренней стенки вакуумной колбы,

${\displaystyle T_{\mathrm {b} '}=T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{\mathrm {p} }}}}$

Где

• Т_Surr это температура окружающего воздуха
• ΔS изменение конкретных энтропия из нержавеющей стали
• c_п это конкретный теплоемкость из нержавеющей стали
• Т_c температура жидкости, содержащейся в колбе
• Т_{б '} - температура внешней поверхности внутренней стенки термоса

Теперь рассмотрим общее выражение для потерь тепла за счет излучения:

${\displaystyle Q'_{0}=A\varepsilon \sigma \left(T^{4}-T_{0}^{4}\right)}$

В случае вакуумной колбы,

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(T_{\mathrm {b} '}^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Подставляя наше предыдущее выражение для Т_{б '},

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(\left(T_{c}+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{p}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Где

• Q′₀ скорость передачи тепла излучением через вакуумную часть колбы
• А_в площадь внешней поверхности внутренней стенки колбы
• ε_SS это излучательная способность из нержавеющей стали
• σ это Постоянная Стефана – Больцмана

Предполагая, что внешняя поверхность внутренней стенки и внутренняя поверхность внешней стенки вакуумной колбы покрыты полированным серебром, чтобы минимизировать потери тепла из-за излучения, можно сказать, что скорость поглощения тепла внутренней поверхностью внешней стенка равна поглощающей способности полированного серебра, умноженной на тепло, излучаемое внешней поверхностью внутренней стены,

${\displaystyle \alpha Q'_{0}=Q'_{\text{in}}}$

Для поддержания баланса энергии, тепло, теряемое через внешнюю поверхность внешней стены, должно быть равно теплу, поглощаемому внутренней поверхностью внешней стены,

${\displaystyle Q'_{\text{in}}=Q'_{\text{out}}}$

Поскольку поглощающая способность полированного серебра такая же, как и его излучательная способность, мы можем написать

${\displaystyle Q'_{\text{out}}=\varepsilon _{\text{ss}}Q'_{0}}$

Мы также должны учитывать скорость потери тепла через крышку вакуумной колбы (при условии, что она сделана из полипропилена, обычного пластика), когда внутри материала нет вакуума. В этой области присутствуют три режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Следовательно, скорость потери тепла через крышку составляет:

${\displaystyle {\begin{aligned}Q'_{\text{lid}}&=Q'_{\text{cond}}+Q'_{\text{conv}}+Q'_{\text{rad}}\\&=kA_{\text{lid}}\left({\frac {T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}}{\Delta x}}\right)+hA_{\text{lid}}\left(T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}\right)+A_{\text{lid}}\varepsilon _{\text{pp}}\sigma \left(\left(T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S_{\text{pp}}}{c_{\mathrm {p} }^{\text{pp}}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)\end{aligned}}}$

Где

• k это теплопроводность воздуха
• час коэффициент конвективной теплоотдачи атмосферного воздуха
• ε_pp излучательная способность полипропилена
• А_крышка площадь внешней поверхности крышки
• c^pp
  _п - удельная теплоемкость полипропилена
• ΔS_pp удельная энтропия полипропилена
• ΔИкс это расстояние, на котором имеет место проводимость через градиент температуры

Теперь у нас есть выражение для общей скорости потери тепла, которая представляет собой сумму скорости потери тепла через стенки вакуумной колбы и скорости потери тепла через крышку:

${\displaystyle Q'_{\text{total}}=Q'_{\text{out}}+Q'_{\text{lid}}}$

где мы подставляем каждое из выражений для каждого компонента в уравнение.

Скорость генерации энтропии этого процесса также можно рассчитать, исходя из баланса энтропии:

${\displaystyle \Delta S_{\text{system}}=S_{\text{in}}-S_{\text{out}}+S_{\text{gen}}}$

Написано в форме оценки,

${\displaystyle \Delta S'_{\text{system}}=S'_{\text{in}}-S'_{\text{out}}+S'_{\text{gen}}}$

Предполагая установившийся процесс,

${\displaystyle {\begin{aligned}-\int {\frac {1}{T_{\text{surr}}}}\,dQ'+S'_{\text{gen}}&=0\\\Rightarrow S'_{\text{gen}}&={\frac {Q'_{2}-Q'_{1}}{T_{\text{surr}}}}\end{aligned}}}$

Поскольку в систему не добавляется тепло,

${\displaystyle S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}}$

Смотрите также

• Герметичная печать
• Солнцезащитный экран (JWST) (Слои его теплового экрана используют вакуумный барьер для обеспечения изоляции.)
• Tervis Tumbler

Рекомендации

1. Сулен, Роберт (март 1996). «Джеймс Дьюар, его фляжка и другие достижения». Физика сегодня. 49 (3): 32–37. Bibcode:1996ФТ .... 49с..32С. Дои:10.1063/1.881490.
2. "Наша история". Термос. 2011 г.. Получено 31 марта 2013.
3. "Джеймс Дьюар, человек, который изобрел термос". История BBC. 2 апреля 2013 г. Архивировано с оригинал 4 мая 2014 г.
4. Фрэнк А. Дж. Л. Джеймс. "Дьюар, Джеймс - БРИТАНСКИЙ ХИМИК И ФИЗИК". Advameg, Inc. Получено 30 декабря 2010.
5. «История криогеники: ресурс Cryo Central от CSA». Cryogenicsociety.org. 2008-04-18. Получено 2012-11-29.
6. Кортрайт, Эдгар. «Экспедиции Аполлона на Луну». Официальные публикации НАСА. 1975 г.
7. Хейнс, Джон; Скотт, Джесси (1948). «Метод серебрения колбы Дьюара для оптических экспериментов». Наука. 107 (2777): 301. Bibcode:1948Научный ... 107..301H. Дои:10.1126 / science.107.2777.301. PMID  17791184.
8. Эллиот, Уиллард (1970). "Спектрофотометрическая колба Дьюара со встроенным световым экраном". Отчеты общественного здравоохранения. 85 (3): 276–279. Дои:10.2307/4593845. JSTOR  4593845. ЧВК  2031665. PMID  4984895.
9. Стинсон, Лиз (18 июня 2013 г.). «Этот революционный кулер может спасти миллионы жизней». ПРОВОДНОЙ.
10. «Устройство, поддерживаемое компанией Gates, расширяет холодовую цепочку в сельской местности». Жестокие вакцины.
11. Мурхекар М.В., Датта С., Капур А.Н., Битрагунта С., Додум Р., Гош П., Свами К.К., Мукхопадхьяй К., Нингомбам С., Пармар К., Равишанкар Д., Сингх Б., Сингх В., Сисодия Р., Субраманиан Р., Такум Т. (2013) . «Частое воздействие субоптимальных температур в системе холодовой цепи вакцины в Индии: результаты мониторинга температуры в 10 штатах». Бюллетень Всемирной организации здравоохранения. 91 (12): 906–13. Дои:10.2471 / BLT.13.119974. ЧВК  3845272. PMID  24347729.
12. Самант Y, Lanjewar H, Parker D, Block L, Tomar GS, Stein B (2007). «Оценка холодовой цепи для пероральной полиомиелитной вакцины в сельском районе Индии». Отчеты общественного здравоохранения. 122 (1): 112–21. Дои:10.1177/003335490712200116. ЧВК  1802111. PMID  17236617.
13. «Компания Arktek получила статус предварительной квалификации PQS от ВОЗ» (Пресс-релиз). АРКТЭК. 2015-04-26.
14. "Электронная книга по термодинамике: TdS Связи".

дальнейшее чтение

• Бургер, Р., Патент США 872,795, «Сосуд с двойными стенками и пространством для вакуума между стенками», 3 декабря 1907 г.
• Селла, Андреа (август 2008 г.). "Фляжка Дьюара". Мир химии: 75. Получено 2008-08-30.

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Термосы в Wikimedia Commons